Курсовой проект по разработке оптической системы возбуждения антенной решетки
ВВЕДЕНИЕ
Фазированная антенная решётка (ФАР) — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.
Управление фазами (фазирование) позволяет:
- формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН — луч);
- изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование — качание луча;
- управлять в определённых пределах формой ДН — изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей).
Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной электроники обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
- Антенные решетки и их классификация.
Направленность действия простейшей антенны (симметричного вибратора) - невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов - антенные решетки (АР). В настоящее время антенные решетки - наиболее распространенный класс антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали), так и остронаправленные антенны (зеркальные, рупорные и другие).
Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С помощью АР удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии. Одним из важных преимуществ решеток является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи. Возникает необходимость создания антенной решетки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и других.), работающей на различных частотах (совмещенной) и имеющей различные характеристики.
Антенные решетки могут быть классифицированы по следующим основным признакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов в самой решетке, способу обработки сигнала в решетке, амплитудно-фазовому распределению токов (поля) по решетке и типу излучателей. В зависимости от геометрии расположения излучателей АР подразделяются на линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сферические и др.) и пространственные (трехмерные) (см. рисунок 1.1). Пространственная решетка в простейшем случае представляет собой систему из двух Плоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.
Размещение излучателей в самой решетке может быть эквидистантное, у которого шаг (расстояние между излучателями) - величина постоянная (см. рисунок 1.1,а-д), и неэквидистантое, у которого шаг меняется по определенному закону или случайным образом (см. рисунок 1,1,з). В плоской АР излучатели могут быть расположены в узлах прямоугольной (см. рисунок 1.1,а) или косоугольной координатной системы.
Рисунок 1.1 - Антенные решетки: а – линейная, б – дуговая, в – кольцевая, г – плоская, д – цилиндрическая, е – коническая, ж – сферическая,
з – неэквидистантная
Рисунок 1.2 - Плоская прямоугольная (а) и гексагональная (б) решетки
Если косоугольная сетка состоит из равносторонних треугольников, то такая структура образует правильные шестиугольники и называется гексагональной (см. рисунок 1.2,б).
В зависимости от соотношения
амплитуд токов возбуждения различают
решетки с равномерным, экспоненциальным
и симметрично спадающим
Большой практический интерес представляют антенны с управляемым положением главного лепестка ДН. Управление (сканирование) можно осуществить, например, смещая облучатель линзы или зеркала из фокуса перпендикулярно оптической оси. При этом происходит наклон фронта волны, и лепесток отклоняется в сторону отставания фазы поля в раскрыве антенны.
Хотя такой
На несколько порядков большую скорость перемещения можно получить с помощью антенн с электрическим сканированием. У таких антенн нет подвижных частей, а изменение фазового распределения в раскрыве антенны осуществляется чисто электрически: путем изменения токов или напряжений на управляющих устройствах.
- Распределители в виде закрытого тракта
Разводка СВЧ мощности
к излучателям решетки в
- C последовательным питанием
- С параллельным питанием
Классическая схема
Рисунок 1.3 - Схемы последовательного питания излучателей ФАР
Мощность к каждому излучателю ответвляется шаг за шагом от общего фидера, и одинаковые проходные фазовращатели аналогового типа включаются в главный фидер между отводами к соседним излучателям.
В качестве делителей мощности могут использоваться реактивные тройники со слабой связью в боковое плечо, а также направленные ответвители с малой связью (развязанное плечо ответвителя замыкается на согласованную нагрузку).
Схема отличается компактностью, причем все фазовращатели управляются по одному и тому же закону, так для отклонения луча на определенный угол фазовый сдвиг между соседними излучателями должен быть одинаков по длине решетки. За счет этого упрощается система управления фазовращателями. Однако последовательная схема имеет ряд недостатков:
- Наблюдается накопление и возрастание фазовых ошибок и вносимых потерь к концу решетки, в связи, с чем допустимо использование только точных фазовращателей с очень малыми потерями.
- Через ближайший ко входу фазовращатель проходит почти вся излучаемая мощность, и, таким образом, требуются фазовращатели с повышенной электрической прочностью.
- Электрические длины путей сигналов от общего входа до каждого излучателя оказываются существенно разными и это может приводить к нежелательной расфазировке решетки на краях рабочей полосы частот.
Для выравнивания электрических
длин в линии питания излучателей
должны включаться компенсирующие отрезки
фидера (см. рисунок 1.3 пунктиром), что
увеличивает размеры
Рисунок 1.4 - Схема параллельного питания излучателей ФАР
Данная схема имеет ряд важных преимуществ:
- Возможность использовать сравнительно маломощные фазовращатели, так как через каждый из них проходит только 1/N часть излучаемой мощности.
- Общие потери мощности в управляющих устройствах определяются величиной вносимых потерь лишь в одном фазовращателе и поэтому могут использоваться фазовращатели с довольно значительной величиной потерь(1,0 – 1,5 dB).
- Важным преимуществом в параллельной схеме питания является отсутствие накопления фазовых ошибок вдоль раскрыва и возможность выравнивания длин отдельных каналов для обеспечения широкополосности.
Недостатки параллельной схемы питания:
- Сложность системы управления, так как фазовые сдвиги в каждом фазовращателе различны.
- Имеются трудности в обеспечении хорошего согласования входа при одновременном делении мощности на большое число каналов.
Особым случаем схемы параллельного питания является схема (см. рисунок 1.5,а (двоично – этажная схема или ‘елочка’), в каждом узле которой происходит каскадное деление мощности на две части.
Рисунок 1.5 - Двоично –
этажная схема питания
В качестве делителей мощности в узлах ‘елочки’ могут использоваться различные СВЧ устройства:
- Простые тройники
- Волноводные мосты щелевого или двойного Т – типа
- Направленные ответвители на связанных полосковых линиях
- Резистивные делители мощности на полосковых линиях
- Распределители оптического тип
а
Существует два типа схем оптического питания решеток:
- Проходная схема (см. рисунок 1.7)
- Отражательная схема (см. рисунок 1.8)
В ФАР выполненных по проходной
схеме специальный облучатель направляет
излучаемую мощность на собирающую антенную
решетку приемных элементов. Принятая
мощности проходит через систему
проходных фазовращателей и после
фазирования излучается в нужном
направлении другой решеткой излучающих
элементов. Между приемными элементами
и фазовращателями иногда могут
включаться дополнительные отрезки
фидера (показаны пунктиром см. рисунок
1.7) уравнивающие электрические длины
путей сигналов к различным элементам
излучающей решетки. Эти же отрезки
могут использоваться для создание
нелинейного начального фазового распределения
(фазовой подставки), применяемого для
борьбы с паразитными боковыми лепестками
при дискретном фазировании. По принципу
действия проходная ФАР фактически
эквивалентна линзе с принудительным
ходом лучей и с электрически
управляемым фазовым
Рисунок 1.7 - Проходная схема
оптического питания
ФАР выполненная по отражательной
схеме состоит из облучателя и
приемопередающей решетки, каждый элемент
которой снабжен отражательным
фазовращателем. Между излучателями
и фазовращателями могут
В отражательной ФАР излучатели
решетки выполняют двойную
- Собирают мощность, идущую от облучателя
- Переизлучают ее в нужном направлении после фазирования
По принципу действия отражательная ФАР эквивалентна зеркальной антенне с электрическим управлением фазой коэффициента отражения различных участков поверхности.
К преимуществам обеих
схем оптического питания относятся
сравнительная простота при большом
числе элементов решетки, удобная
возможность управления формой амплитудного
распределения в раскрыве путем
подбора формы диаграммы
Общим недостатком схем оптического питания является возрастание размеров по сравнению с закрытым трактом. Кроме того в оптических системах питания часть мощности облучателя не перехватывается приемной решеткой, что приводит к возрастанию фона бокового излучения и снижению общего КИП антенны. Для устранения этого неприятного явления в ФАР проходного типа вся облучающая система может быть помещена в большой рупор, простирающийся от облучателя до приемной решетки, или выполнена в виде закрытой со всех сторон зеркальной антенны в форме параболического цилиндра с боковыми металлическими стенками.
По конструктивным соображениям
отражательная решетка имеет
ряд преимуществ перед
Рисунок 1.8 - Отражательная схема оптического питания излучателей ФАР
С другой стороны проходная решетка имеет ряд преимуществ перед отражательной, а именно: возможна раздельная оптимизация собирающей и излучающей решеток в смысле применения элементов неодинакового типа и расположения(например, с целью наилучшего подбора амплитудного распределения а также ослабления влияния взаимосвязи при сканировании). Отсутствует затенение раскрыва облучателем и реакция решетки на облучатель.
1.4 Облучатели
Волноводные излучатели имеют малую направленность (maxD0 < 5) и недостаточно согласованы с волноводом. Устранение этих недостатков возможно путем плавного увеличения поперечного сечения волновода, т.е. переходом к рупорным излучателям. Волновые размеры апертуры рупора могут быть сделаны гораздо большими, чем у волновода, что позволяет значительно сузить главный лепесток диаграммы направленности. Плавное увеличение поперечного сечения волновода в рупорных антеннах обеспечивает их хорошее согласование с пространством. В этом смысле рупор является согласующим переходом от волновода к свободному пространству и дополнительных согласующих устройств не требуется. Появление волн высших типов предотвращается плавностью изменения поперечного сечения рупора.
Рупорные антенны широко применяются в диапазоне СВЧ как само- стоятельные антенны, а также в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, элементов антенных решеток. Наибольшее распространение получили секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны. Секториальные рупоры получаются путем плавного расширения одной из стенок прямоугольного волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит в плоскости Н, рупор называется H-плоскостным (см. рисунок 1.12, а); если в плоскости Е, то называется E-плоскостным (см. рисунок 1.12, б). Плавное линейное расширение прямоугольного волновода в обеих плоскостях образует пирамидальный рупор (см. рисунок 1.12, в). Такое же расширение круглого волновода образует конический рупор (см. рисунок 1.12, г). Пирамидальные и конические рупоры приемлемых размеров позволяют формировать ДН с шириной порядка 9 - 12°. Во всех рупорных антеннах происходит плавная трансформация структуры поля волноводных типов волн в поле пространственных волн.
Расчет поля излучения рупорных антенн аналогичен расчету волноводного излучателя. Рупор полагается бесконечно протяженным, а его стенки – идеально проводящими. При этих условиях проводится решение внутренней задачи, т.е. определение электромагнитного поля внутри бесконечно протяженного рупора. Эта электродинамическая часть задачи решается строго. Далее осуществляется переход к рупору конечных размеров, причем предполагается, что поле внутри рупора и на его раскрыве остается таким же, как и в бесконечном рупоре, а токи на внешней поверхности стенок рупора пренебрежимо малы.
Рисунок 1.12 - Типы рупорных антенн
1.5 Элементы приемной решетки
В качестве излучателей антенной решетки используются вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические стержни, спирали, щели и др. Вибраторные излучатели в АР обычно располагают над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что на характеристики вибраторного излучателя в составе АР сильнее всего влияют два фактора: их размещение в решетке и положение относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решетки позволяет не только подавить высшие дифракционные максимумы, но и улучшить их согласование в широком секторе углов сканирования. Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.
Направленные свойства любой антенны характеризуются ДН и КНД. Диаграмма направленности вибратора зависит от его длины и является поверхностью вращения, ось которой совпадает с осью вибратора. На КНД вибратора влияют два основных фактора: ширина главного лепестка ДН и уровень боковых лепестков.
Очень важным параметром любой антенны является входное сопротивление. Чем быстрее меняется Zвх при изменении частоты колебаний, тем хуже диапазонные свойства вибратора, которые зависят от его толщины. Чем толще вибратор, тем медленнее изменяется Zвх при изменении частоты. Добротность одного и того же вибратора на параллельном резонансе примерно в восемь раз больше, чем на последовательном. Кроме того добротность зависит от волнового сопротивления вибратора: чем больше волновое сопротивление, тем больше добротность. Волновое сопротивление вибратора, в свою очередь, зависит от толщины вибратора: чем толще вибратор, тем меньше волновое сопротивление. Таким образом, при увеличении толщины вибратора уменьшается его добротность и, следовательно, улучшаются его диапазонные свойства.
Наиболее широко используемыми типами симметричных вибраторных излучателей являются:
1) Тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а << λ, где - длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот, которая может быть расширена подбором длины 2L герметизирующего кожуха 3 (2L =λ/5).
2) Широкополосный вибратор. В широкополосных вибраторах для соединения коаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линией длиной λ/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладают повышенной электрической прочностью.
3) Изогнутый вибратор. Он
имеет более широкую ДН в
Е - плоскости, что позволяет
получить большой сектор
4) Электрические (Н - образные)
вибраторы. Для настройки их
в резонанс используются
5) Печатные вибраторные излучатели. Они обладают высокой технологичностью, компактностью, конструктивной жесткостью и перспективны для АР, устанавливаемые на подвижных объектах.
6) Коротко замкнутые вибраторы,
или диполи. Широко применяются
в последнее время при
2 ВЫБОР ОБЛУЧАТЕЛЯ И РАСЧЕТ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК
2.1 Расчет геометрии рупорного облучателя
Рупорная антенна представляет
собой участок волновода
Рупорная антенна (см. рисунок 2.1) состоит из рупора, волновода и возбуждающего устройства.
Рисунок 2.1 – Рупорная антенна
Энергия к антенне будет подводится с помощью прямоугольного волновода с использованием плавного перехода от волновода к рупору.
Энергию в волноводе будем возбуждать с помощью его соединения с коаксиальным волноводом.
Сочленения коаксиальных
волноводов с прямоугольными могут
быть штыревого и петлевого типов.
Они осуществляют трансформацию
Т-волны коаксиального
Простейший трансформатор
представляет собой отрезок
Трансформатор характеризуется такими параметрами:
- h-высота штыря.
- X- расстояние от боковой стенки.
- l- расстояние от закороченного конца волновода.
Штырь можно рассматривать как вибратор введенный в прямоугольный волновод, следовательно, штырь для коаксиального кабеля является нагрузкой.
Необходимо обеспечить согласование нагрузки для обеспечения РБВ в коаксиальном кабеле. Сопротивление штыря в общем случае комплексно.
Теория и практика показывает, что для лучшего согласования необходимо
В этом случае штырь
включается в такие сечения
волновода, где сопротивление
носит чисто активный характер.
Смещением штыря в поперечной
плоскости добиваются
С учетом линейной вертикальной поляризации это будет иметь вид:
Рассчитаем нужные величины:
= = 0.72=0,036 м
=l === 0.023 м
H = =0,13 м
Амплитуды других высших типов волн будут затухать еще сильнее. Форма главного лепестка диаграмм направленности (ДН) рупорной антенны зависит от угла раскрыва рупора; чем меньше угол раскрыва (чем больше длина рупора при постоянной ширине раскрыва), тем меньшими будут фазовые ошибки на краях раскрыва, уже – главный лепесток ДН и большим – коэффициент направленного действия (КНД) рупора.
Исследования показывают, что для рупора конечной длины наибольший КНД получают при соотношениях между геометрическими размерами рупора
, (2.5)
где
и – оптимальные длины рупора в плоскостях Н и Е, которые соответствуют допустимым фазовым отклонениям на краях раскрыва в плоскостях Н и Е: .
Рупоры с такими значениями максимально допустимых фазовых ошибок называются оптимальными.
Для стыковки рупора с волноводом необходимо придерживаться соотношения между их размерами, [2]
,
где
- ширина раскрыва рупора,
- длина раскрыва рупора,
и - длины рупора в плоскостях Н и Е, которые соответствуют допустимым фазовым отклонениям на краях раскрыва в плоскостях Н и Е.
Зададим ширину раскрыва рупора , тогда:
Исходя из (2.5) рассчитаем оптимальные длины рупоров в плоскостях Е и Н
Коэффициент направленного действия оптимального рупора можно определить по формуле (2.8)
, (2.8)
где
– апертурный коэффициент использования поверхности (КИП) рупора. Для оптимального рупора он равен .
Коэффициент полезного действия (КПД) рупорных антенн определяется в основном глубиной проникновения токов СВЧ в материал, из которого изготовлен рупор. Как известно, эта глубина при постоянной проводимости уменьшается с ростом частоты. Это приводит к увеличению поверхностного сопротивления и затухания волны и, таким образом, к уменьшению КПД. Для волн сантиметрового диапазона, в котором чаще всего используют рупорные антенны, этим эффектом можно пренебречь и положить, что КПД рупорных антенн равен единице [2].
Таким образом, для рупорных антенн с оптимальными размерами коэффициент усиления (КУ) можно определить по формуле (2.9):
(2.9)
2.2 Расчет диаграммы направленности рупорной антенны по полю
Диаграммы направленности рупорной антенны по полю при возбуждении ее волной можно рассчитать по формуле (2.10) [3,с.298]
(2.10)
где
- длина волны;
- волновой коэффициент равный ;
ap, bp – ширина и высота раскрыва рупора;
R – расстояние до точки наблюдения.
Нормированная диаграмма направленности рупорной антенны в плоскости Е представлена на рисунке 2.2, в полярных координатах на рисунке 2.3.
Рисунок 2.2 – ДН в плоскости Е
Рисунок 2.3 – ДН в полярных координатах, плоскость Е
Нормированная диаграмма направленности рупорной антенны в плоскости Н представлена на рисунке 2.4, в полярных координатах на рисунке 2.5.
Рисунок 2.4 – ДН в плоскости Н
Рисунок 2.5 – ДН в полярных координатах, плоскость Н
3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТА ПРИЕМНОЙ РЕШЕТКИ И РАСЧЕТ ЕГО
ПАРЦИАЛЬНОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
Приемная решетка системы возбуждения выполняется из симметричных H-образных волноводов, расположенных в узлах треугольной сетки с шагом 0,034 м.
По заданным параметрам подбираем волновод :
Частотный диапазон волновода 3,5 … 12,4 ГГц;
а=27,28мм; b=11,73мм; s=6,83мм; 2d=2,29мм
Рисунок 3.1 Нормированные диаграммы направленности в главных плоскостях и распределение амплитуды электрического поля в Е-плоскости на частоте 6 ГГц
Рисунок 3.2 Нормированные диаграммы направленности в главных плоскостях и распределение амплитуды электрического поля в Е-плоскости на частоте 4.5 ГГц
4 ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ

- Курсовой проект по «Себестоимости железнодорожных перевозок»
- Курсовой проект по статистике на тему Экономико-статистический анализ ресурсного потенциала зернового подкомплекса ОНО ОПХ «Центральное
- Курсовой проект по теории телетрафика
- Курсовой проект по «Теории электропривода»
- Курсовой проект по «Теплотехнике»
- Курсовой проект по "Техническому обслуживанию"
- Курсовой проект по технологии молока и молочных продуктов
- Курсовой проект по металлоконструкциям
- Курсовой проект по "Моделированию дорожного движения"
- Курсовой проект по «Организации и нормированию труда»
- Курсовой проект по поиску решений
- Курсовой проект по предмету "Основания и Фундамент"
- Курсовой проект по производству Ячеисто бетонных изделий
- Курсовой проект по разведочному бурению